Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy cắt plasma
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.35 MB, 89 trang )
MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA................................................................................................1
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ................................................................................4
LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................9
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP CẮT PLASMA ..................11
1.1.
Các phƣơng pháp cắt sử dụng nhiệt .......................................................11
1.1.1.
Cắt bằng khí cháy ...........................................................................11
1.1.2.
Cắt bằng dòng Plasma ....................................................................13
1.2.
Ứng dụng cắt bằng Plasma .....................................................................14
1.2.1.
Cắt Plasma bằng máy cắt tay .........................................................14
1.2.2.
Cắt Plasma bằng máy cắt CNC ......................................................15
1.2.3.
Cắt Plasma bằng Robot ..................................................................15
1.3.
Tình hình nghiên cứu và chế tạo máy cắt Plasma ..................................15
1.3.1.
Trên thế giới ....................................................................................16
1.3.2.
Ở Việt Nam......................................................................................18
1.3.3.
Khó khăn khi chế tạo ở Việt Nam ...................................................20
CHƢƠNG 2: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ MÁY CNC...........................23
2.1. Kỹ thuật điều khiển số ...............................................................................23
2.1.1. Khái niệm về điều khiển số .................................................................23
2.1.2. Khái niệm về hệ thống điều khiển số ..................................................23
2.1.3. Cấu trúc của hệ thống điều khiển số ...................................................25
2.1.4. Ưu nhược điểm của hệ thống điều khiển số ........................................26
2.2. Máy cắt điều khiển số ................................................................................26
2.2.1. Khái niệm về máy cắt điều khiển số ....................................................26
2.2.2. Lịch sử phát triển máy cắt điều khiển số ............................................27
2.2.3. Định nghĩa máy và trục máy ...............................................................29
2.2.4. Phần mềm sử dụng để điều khiển máy cắt ..........................................29
Đại học bách khoa Hà Nội
Luận văn thạc sĩ
CHƢƠNG 3: PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN MACH3 ...........................................33
3.1.
Giới thiệu phần mềm điều khiển Mach3 ................................................33
3.2. Giao diện của phần mềm Mach3 ...............................................................34
3.3. Tính năng cơ bản của phần mềm Mach3 ...................................................35
3.4. Thiết lập các thông số điều khiển trên phần mềm Mach3 .........................35
Bước 1: Thiết lập chân vào ra ......................................................................35
Bước 2: Xác lập đơn vị đo ............................................................................39
Bước 3: Xác lập thông số cho các trục .........................................................40
Bước 4: Test và chạy máy .............................................................................42
3.5. Giao diện Mach3 .......................................................................................44
3.6. Chạy một file G- code có sẵn ....................................................................45
3.7. Ứng dụng phần mềm LAZY CAM tạo file G- Code.................................46
3.7.1. Phần mềm LAZY CAM ........................................................................46
3.7.2. Cách cài đặt và sử dụng......................................................................47
3.7.3. Ứng dụng Lazy Cam tạo file G- Code ................................................51
3.7.4. Chuyển đổi file ảnh sang file đuôi .dxf ...............................................52
CHƢƠNG 4: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY CẮT PLASMA .......54
4.1.
Lựa chọn mô hình máy...........................................................................54
4.1.1. Mô hình dạng cầu trục ........................................................................54
4.1.2. Mô hình dạng cầu trục lệch ................................................................54
4.1.3. Mô hình dạng rùa cắt ..........................................................................55
4.1.4. Mô hình dạng xe tự hành ....................................................................56
4.1.5. Mô hình dạng hình hộp .......................................................................57
4.2.
Phƣơng án thiết kế và chế tạo ................................................................57
4.2.1.
Liên kết giữa vít me và động cơ bằng một khớp mềm ....................58
4.2.2.
Cơ cấu bộ truyền vít me đai ốc .......................................................59
4.2.3.
Tính toán kiểm nghiệm bộ truyền vít me .........................................59
4.2.4.
Mạch điều khiển ..............................................................................62
Nguyễn Đình Ảnh
2
Đại học bách khoa Hà Nội
4.2.5.
Luận văn thạc sĩ
Nguồn cắt plasma A-70...................................................................67
CHƢƠNG 5: LẮP RÁP HIỆU CHỈNH VÀ CHẠY THỬ MÁY CẮT PLASMA
..................................................................................................................................73
5.1.
Lắp ráp máy ............................................................................................73
5.2.
Hiệu chỉnh máy ......................................................................................76
CHƢƠNG 6: CHẠY THỬ VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .......77
6.1.
Chạy thử máy .........................................................................................77
6.2.
Thực nghiệm ..........................................................................................77
6.2.1.
Trang thiết bị thực nghiệm..............................................................77
6.2.2.
Số liệu thực nghiệm.........................................................................77
6.2.3.
Đánh giá kết quả thực nghiệm ........................................................81
6.3.
Bảng lựa chọn chế độ cắt khi gia công bằng nguồn plasma A-
70...........................................................................................................................81
6.4.
Các sự cố thƣờng xả ra khi cắt, nguyên nhân và biện pháp khắc phục .....
................................................................................................................83
KẾT LUẬN ..........................................................................................................88
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 89
Nguyễn Đình Ảnh
3
Đại học bách khoa Hà Nội
Luận văn thạc sĩ
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 – Các phƣơng pháp cắt kim loại bằng nhiệt
Hình 1.2 – Sơ đồ cắt bằng khí
Hình 1.3 - Máy cắt Plasma loại nhỏ
Hình1.4 – Máy cắt Plasma CNC loại lớn
Hình 1.5 – Robot trang bị đầu cắt Plasma CNC.
Hình 1.6 – Máy cắt plasma dạng đề các cỡ trung bình.
Hình 1.7 – Máy cắt plasma cỡ lớn với hành trình cắt 2.5 x 5m.
Hình 1.8 – Máy cắt 3 trục XF-3 dạng xách tay.
Hình 1.9 – Máy ACTECH dạng xách tay.
Hình 1.10 – Máy cắt 3 trục của Viên máy và dụng cụ công nghiệp.
Hình 1.11 – Máy cắt của công ty AN HÒA.
Hình 2.1 - Hệ thống điều khiển số vòng hở
Hình 2.2 - Hệ thống điều khiển số vòng kín
Hình 2.3 - Cấu trúc của một hệ thống điều khiển số
Hình 2.4 - Mối liên hệ giữa PMC với cụm CNC và máy.
Hình 2.5 - Cấu trúc Post processor
Hình 3.1 – Giao diện phần mềm Mach3
Nguyễn Đình Ảnh
4
Đại học bách khoa Hà Nội
Luận văn thạc sĩ
Hình 3.2 - Bảng lựa chọn chế độ config trên phần mềm
Hình 3.3 - Bảng lựa chọn chế độ Port and Pin trên phần mềm
Hình 3.4 - Bảng lựa chọn đầu ra của động cơ trên phần mềm
Hình 3.5 - Bảng lựa chọn chế độ làm mát trên phần mềm
Hình 3.6 - Bảng lựa chọn đơn vị đo trên phần mềm
Hình 3.7 - Bảng điều khiển tham số động cơ trên các trục
Hình 3.8 - Bảng điều khiển trên phần mềm
Hình 3.9 – Giao diện phần mềm Lazy Cam
Hình 3.10- Giao diện điều khiển trên phần mềm Lazy Cam
Hình 3.11 – Giao diện phần mềm Algolab PtVector
Hình 4.1 – Máy cắt Plasm ma dạng cầu trục
Hình 4.2 – Máy cắt plasma dạng cầu trục lệch
Hình 4.3 – Máy cắt plasma dạng rùa cắt
Hình 4.4 – Máy cắt dạng xe tự hành
Hình 4.5 – Máy cắt dạng hình hộp
Hình 4.6 - Trục vít me bi
Hình 4.7- Liên kết giữa vít me và động cơ
Hình 4.8 – Cơ cấu bộ truyền vít me đai ốc
Nguyễn Đình Ảnh
5
Đại học bách khoa Hà Nội
Luận văn thạc sĩ
Hình 4.9 – Sơ đồ kết nối điều khiển
Hình 4.10 – Mô hình sơ đồ vị trí các mô đun điều khiển
Hình 4.11 – Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn điều khiển
Hình 4.12 – Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển trung tâm
Hình 4.13 – Sơ đồ nguyên lý mạch công suất
Hình 4.14 – Sơ đồ nguyên lý mạch cách ly tín hiệu
Hình 4.15 – Sơ đồ kết nối mạch AKZ250
Hình 4.16 – Nguồn cắt Plasma A-70
Hình 4.17 – Sơ đồ lắp đặt nguồn Plasma
Hình 4.18 – Sơ đồ đấu kết nối nguồn Plasma
Hình 5.1 – Lăp ráp đế máy
Hình 5.2 – Lắp ráp băng trƣợt và vít me trục Y lắp vào đế máy
Hình 5.3 – Lắp ráp thân máy
Hình 5.4 - Lắp ráp băng trƣợt và vít me trục X vào thân máy
Hình 5.5 - Lắp ráp cụm dẫn hƣớng trục Z
Hình 5.6 - Lắp ráp động cơ vào các trục
Hình 6.1 - Biều đồ tính toán trên lý thuyết
Hình 6.2 - Biểu đồ thực nghiệm
Nguyễn Đình Ảnh
6
Đại học bách khoa Hà Nội
Luận văn thạc sĩ
Hình 6.3 – Khả năng cắt của nguồn plasma
Hình 6.4 - Biểu đồ tốc độ cắt của nguồn plasma
Nguyễn Đình Ảnh
7
Đại học bách khoa Hà Nội
Luận văn thạc sĩ
LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là Nguyễn Đình Ảnh, học viên lớp cao học 11BCĐT.KT. Sau 2 năm
học tập, nghiên cứu tại Trƣờng Đại học Bách khoa Hà nội, đƣợc sự hƣớng dẫn và
giúp đỡ của các thầy cô giáo, đặc biệt là sự giúp đỡ của giáo viên hƣớng dẫn tốt
nghiệp TS. Nguyễn Chí Hƣng, tôi đã đi đến cuối chặng đƣờng để kết thúc khóa
học.
Với đề tài Luận văn tốt nghiệp là: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy cắt
Plasma”. Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dƣới sự
hƣớng dẫn của TS Nguyễn Chí Hƣng và chỉ tham khảo các tài liệu đƣợc liệt kê, tôi
không sao chép công trình của các cá nhân khác dƣới bất kì hình thức nào. Nếu có
tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Ngƣời cam đoan
Nguyễn Đình Ảnh
Nguyễn Đình Ảnh
8
Đại học bách khoa Hà Nội
Luận văn thạc sĩ
LỜI MỞ ĐẦU
Công nghệ gia công cắt tấm sử dụng nguồn plasma ngày nay càng trở lên
phổ biến, trên thị trƣờng đã có nhiều chủng loại máy đƣợc nhập về với các tính
năng và giá thành khác nhau.
Tuy nhiên nhƣợc điểm của quá trình cắt plasma bằng tay ảnh hƣởng tới sức
khỏe: do tiếp xúc với môi trƣờng bị ô nhiễm (khói độc, bức xạ hồ quang, bức xạ
điện từ,…) có thể nguy hiểm cho mắt, da, phổi…tai nạn về phỏng do kim loại nóng
chảy văng ra, … là lý do ta nên tự động hóa quá trình này bằng một máy cắt Plasma
3 bậc tự do dạng đề các.
Từ những lý do trên và với những kiến thức đã đƣợc học tập và nghiên cứu
tại Trƣờng ĐHBK Hà nội, tác giả đã chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo máy
cắt Plasma” với mục tiêu đề ra là:
plasma 3 trục
thiết bị
, sử dụng thuận tiện và linh hoạt di chuyển trong phạm vi công việc.
- Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo máy cắt Plasma”. Ngoài việc đã thiết
kế chế tạo hoàn chỉnh máy cắt Plasma thông thƣờng tác giả còn thêm những cải tiến
mới trong việc sử dụng các công cụ phần mềm nhằm điều khiển máy cắt Plasma,
với những cải tiến này máy cắt Plasma đã tăng đƣợc độ chính xác gia công và giảm
đáng kể các thao tác của ngƣời điều khiển. Máy cắt này có thể đọc đƣợc các tệp có
đuôi là .dxf, bmp, jpg và hph1, từ đó tự động tạo các mã lệnh gia công G-code, sau
đó máy tính sẽ đƣa ra các tín hiệu điều khiển cho máy thông qua bộ đệm và cổng
LPT. Nghiên cứu đã chứng tỏ máy cắt plasma có thể gia công đƣợc nhiều loại vật
liệu ….
Trong phạm vi nghiên cứu này, tác giả đã tiến hành thiết kế và chế tạo máy
cắt Plasma điều khiển bằng phần mềm MACH3. Dựa trên cơ sở lý thuyết đã đƣợc
nghiên cứu cũng nhƣ tiến hành khảo sát từ thực tế tại các nhà máy, xí nghiệp từ đó
Nguyễn Đình Ảnh
9
Đại học bách khoa Hà Nội
Luận văn thạc sĩ
tiến hành thu thập các số liệu về nhu cầu về máy cắt Plasma. Tác giả đƣa ra mô
hình và thiết kế cho máy cắt Plasma với hành trình cắt ở mỗi trục là 1200x1000
mm2 và ứng dụng chủ yếu trong các xƣởng sản xuất, hoặc các phân xƣởng có nhu
cầu sử dụng máy cắt các phôi thép tấm nhỏ có độ dày từ 0.5 mm đến 5 mm.
Luận văn đƣợc trình bày trong 89 trang và 6 chƣơng.
- Chƣơng 1: Tổng quan về phƣơng pháp cắt Plasma.
- Chƣơng 2: Kỹ thuật điều khiển số và máy CNC
- Chƣơng 3: Phần mềm điều khiển Mach3.
- Chƣơng 4: Tính toán, thiết kế chế tạo máy cắt Plasma.
- Chƣơng 5: Lắp ráp hiệu chỉnh.
- Chƣơng 6: Chạy thử và đánh giá kết quả thực nghiệm.
Nguyễn Đình Ảnh
10
Đại học bách khoa Hà Nội
Luận văn thạc sĩ
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP CẮT PLASMA
1.1. Các phƣơng pháp cắt sử dụng nhiệt
Trong ngành chế tạo máy thì phƣơng pháp cắt kim loại đóng vai trò quyết
định đến năng suất, chất lƣợng của sản phẩm. Mỗi một phƣơng pháp đều có ƣu
điểm và nhƣợc điểm song nhà sản xuất phải biết phạm vi sử dụng của từng phƣơng
pháp để đem lại hiệu quả tốt nhất. Có nhiều phƣơng pháp cắt kim loại trong đó
phƣơng pháp cắt bằng nhiệt đƣợc ứng dụng rộng rãi, có thể chia phƣơng pháp cắt
nhiệt thành các phƣơng pháp sau:
Cắt bằng nhiệt
Cắt bằng khí ôxy
Cắt bằng hồ
quang ôxy
Cắt bằng hồ
quang kim loại
Cắt bằng hồ
quang không khí
Cắt bằng hồ
quang
Cắt bằng hồ
quang plasma
Hình 1.1 – Các phƣơng pháp cắt kim loại bằng nhiệt
1.1.1. Cắt bằng khí cháy
Thực chất của quá trình cắt kim loại bằng khí là đốt cháy kim loại cắt bằng
dòng ôxy, tạo thành các ôxýt (FeO, Fe2O3, Fe3O4), làm nóng chảy các ôxýt đó và
thổi chúng ra khỏi mép cắt tạo thành rãnh cắt.
Sơ đồ quá trình cắt kim loại bằng khí đƣợc trình bày trên: khi bắt đầu cắt,
kim loại ở mép cắt đƣợc nung nóng đến nhiệt độ cháy nhờ nhiệt của ngọn lửa nung,
sau đó cho dòng ôxy thổi qua, kim loại bị ôxy hóa mãnh liệt (bị đốt cháy) tạo thành
ôxýt. Sản phẩm cháy bị nung chảy vì bị dòng ôxy thổi khỏi mép cắt. Tiếp theo, do
phản ứng cháy của kim loại toả nhiệt mạnh, lớp kim loại tiếp theo bị nung nóng
nhanh và tiếp tục bị đốt cháy tạo thành rãnh cắt.
Nguyễn Đình Ảnh
11
Đại học bách khoa Hà Nội
Luận văn thạc sĩ
Hình 1.2 – Sơ đồ cắt bằng khí
Để cắt bằng khí, kim loại cắt phải thoả mãn một số yêu cầu sau:
- Nhiệt độ cháy của kim loại phải thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của kim loại đó.
0
Đối với thép cácbon thấp C < 0,7% nhiệt độ cháy vào khoảng 1350 C, còn nhiệt độ
0
chảy gần 1.500 C nên thoả mãn điều kiện này. Đối với các loại thép các bon cao thì
nhiệt độ cháy gần bằng nhiệt độ chảy nên trƣớc khi cắt phải đốt nóng sơ bộ từ
0
300÷650 C.
- Nhiệt độ nóng chảy của ôxít kim loại phải thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của
kim loại đó. Thép hợp kim crôm hoặc crôm-niken, do khi cháy Cr tác dụng với O2
o
để tạo thành ôxýt crôm Cr2O3 có nhiệt độ nóng chảy tới 2.050 C vì vậy phải dùng
thuốc cắt mới có thể cắt đƣợc. Nhôm và hợp kim của nhôm, do nhiệt độ nóng chảy
o
thấp, khi cháy tạo thành ôxít nhôm Al2O3 có nhiệt độ nóng chảy tới 2.000 C, mặt
khác lại dẫn nhiệt nhanh nên cũng không thể cắt bằng khí, trừ khi dùng thuốc cắt.
- Nhiệt toả ra khi kim loại cháy phải đủ lớn để đảm bảo sự cắt đƣợc liên tục,
quá trình cắt không bị gián đoạn. Khi cắt các tấm mỏng bằng thép cácbon thấp nhiệt
lƣợng sinh ra khi cháy đạt tới 70% chỉ cần nhiệt lƣợng của ngọn lửa 30% nữa là đủ
cắt liên tục.
Nguyễn Đình Ảnh
12
Đại học bách khoa Hà Nội
Luận văn thạc sĩ
- Ôxýt kim loại nóng chảy phải có độ chảy loãng tốt, để dễ tách ra khỏi mép
cắt. Gang không thể cắt bằng khí vì nhiệt độ nóng chảy cao hơn nhiệt cháy và khi
cháy tạo ra ôxýt silic SiO2 có độ sệt cao.
- Độ dẫn nhiệt của kim loại không quá cao, tránh sự tản nhiệt nhanh làm cho
mép cắt bị nung nóng kém làm gián đoạn quá trình cắt.
1.1.2. Cắt bằng dòng Plasma
Định nghĩa: “Plasma là tập hợp các hạt tích điện bao gồm số lƣợng tƣơng
đƣơng các ion dƣơng và các điện tử và có vài đặc tính của khí nhƣng khác với khí
là có tính dẫn điện tốt”. Sự ion hóa khí tạo ra các điện tử tự do và các ion dƣơng
giữa các nguyên tử khí. Khi điều này xảy ra, khí trở thành dẫn điện với khả năng
mang dòng điện. Nhƣ vậy, plasma hình thành và đó là hình thái phong phú nhất của
vật chất trong vũ trụ.
Plasma là khí dẫn điện bao gồm các điện tử, ion, phân tử trung hòa. Plasma
có thể cắt kim loại có nhiệt độ lên đến 250000C.
Thiết bị cắt plasma bao gồm nguồn điện, bộ điều khiển, một hoặc nhiều loại
khí để có khí phun qua lỗ và khí bảo vệ, mỏ cắt. Thiết bị có thể vận hành bằng tay
hoặc cơ khí hóa. Nguồn điện một chiều với điện áp hở mạch khoảng 120-140V và
dòng điện 70-1000A. Để cắt thép có chiều dày 75mm và nhôm có chiều dày 90mm
cần điện áp hở mạch 400V và dòng điện đến 500A. Thiết bị cắt bằng tay để đảm
bảo cho ngƣời sử dụng có điện áp hở mạch 120-200V, dòng điện 70-100A, tốc độ
cắt tƣơng đối thấp, chiều dày cắt đƣợc đối với thép cácbon 12.5mm, đối với hợp
kim không chứa sắt đến tới 25mm.
Bộ điều khiển có các van để điều khiển các khí và nƣớc làm nguội theo yêu
cầu, có thể điều khiển lƣu lƣợng khí cắt thông qua lƣu lƣợng kế, có công tắc lƣu
lƣợng nƣớc để dừng thiết bị khi không đủ nƣớc làm nguội các máy cắt tự động
công suất cao có thể có tính năng điều khiển độ dốc của dòng điện và lƣu lƣợng khí
cắt.
Nguyễn Đình Ảnh
13
Đại học bách khoa Hà Nội
Luận văn thạc sĩ
Trong thiết bị cơ khí hóa, các mỏ cắt bằng hồ quang plasma đƣợc lắp lên
trên máy cắt định hình tƣơng tự thiết bị cơ khí hóa thông dụng, quá trình cắt đƣợc
điều khiển bằng sự theo dõi quang điện, điều khiển số hoặc điều khiển bằng máy
tính. Với cắt bằng hồ quang plasma có thể cắt hợp kim nhôm dày 150mm với tốc
độ 3mm/s, thép không rỉ dày 100mm với tốc độ 3mm/s, théo các bon dày 50mm với
tốc độ 11mm/s.
Tuy nhiên cắt bằng hồ quang plasma cần chú ý một số điểm nhƣ khi cắt tạo
ra hồ quang rất sáng, văng tóe, khói và ồn do đó cần có biện pháp bảo hộ khi làm
việc. Đặc biệt quan trọng là phải kiểm soát khói và tiếng ồn. Một phƣơng pháp
kiểm soát khói là đặt vật liệu lên bàn cắt có nƣớc ở phía dƣới. Dòng plasma tạo ra
khói với tốc độ cao, va đập với nƣớc gây ra các cuộn xoáy giữ các hạt khói dƣới
nƣớc.
1.2. Ứng dụng cắt bằng Plasma
1.2.1. Cắt Plasma bằng máy cắt tay
Các máy cắt này có kích thƣớc tƣơng đối nhỏ gọn, do đó dễ dàng di chuyển
để cắt tại hiện trƣờng.
Hình 1.3 - Máy cắt Plasma loại nhỏ
Nguyễn Đình Ảnh
14
Đại học bách khoa Hà Nội
Luận văn thạc sĩ
1.2.2. Cắt Plasma bằng máy cắt CNC
Đƣợc gắn lên máy cắt CNC, mỏ cắt plasma thực hiện cắt các hình bất kỳ
theo bản vẽ AutoCAD. Ứng dụng này đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp
đóng tàu, chế tạo thiết bị, chế tạo kết cấu thép,v.v…
Hình1.4 – Máy cắt Plasma CNC loại lớn
1.2.3. Cắt Plasma bằng Robot
Các robot là các tay máy đa trục có thể chuyển động theo 3 chiều không gian.
Một mỏ cắt plasma đƣợc gắn trên tay robot cho phép cắt các vật liệu có hình dạng
bất kỳ.
Hình 1.5 – Robot trang bị đầu cắt Plasma CNC.
1.3. Tình hình nghiên cứu và chế tạo máy cắt Plasma
Nguyễn Đình Ảnh
15
Đại học bách khoa Hà Nội
Luận văn thạc sĩ
1.3.1. Trên thế giới
3x6m
9.000-
25.000$.
Hình 1.6 – Máy cắt plasma dạng đề các cỡ trung bình.
Hình 1.7 – Máy cắt plasma cỡ lớn với hành trình cắt 2.5 x 5m.
sản xuất Trung qu
4.000-
6.000$.
Nguyễn Đình Ảnh
16
Đại học bách khoa Hà Nội
Luận văn thạc sĩ
Ví dụ nhƣ máy XF-3: là loại máy cắt plasma tự động, sử dụng hiệu quả, tiết
kiệm năng lƣợng, thích hợp với thép cacbon, thép không gỉ và kim loại đen.
Tuy nhiên nhƣợc điểm của loại máy này là menu sử dụng bằng tiếng Trung
Quốc nên làm cho ngƣời sử dụng rất khó khăn trong việc vận hành máy.
Hình 1.8 – Máy cắt 3 trục XF-3 dạng xách tay.
Máy cắt Nano 1212:
o Hãng sản xuất: ACTECH
o Sản xuất tại: Malaysia
o Đặc điểm kỹ thuật của bàn cắt:
Bộ giá đỡ đèn cắt: 1 cái
Điều khiển trục dọc: Stepper/ bánh răng- thanh răng
Điều khiển trục ngang: Stepper/ bánh răng- thanh răng
Vị trí bảng điều khiển: bên trái
Chiều rộng cắt hữu ích: 1200 mm/48”
Chiều dài cắt hữu ích: 1200 mm/48”
Tốc độ cắt tối đa: 13000 mm/phút
Nguồn điện: 115/230 VAC - 50/60 Hz - 10A
Nguyễn Đình Ảnh
17
Đại học bách khoa Hà Nội
Luận văn thạc sĩ
Hình 1.9 – Máy ACTECH dạng xách tay.
1.3.2. Ở Việt Nam
Hiện nay các máy cắt đã đƣợc một số doanh nghiệp trong nƣớc trang bị và
đƣa vào vận hành phục vụ sản xuất. Tuy nhiên với giá thành đắt và kích thƣớc lớn,
cồng kềnh làm cho việc trang bị máy đối với hầu hết các doanh nghiệp vừa và nhỏ
là hết sức khó khăn. Năm 1997, từ đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ "Nghiên
cứu, thiết kế, chế tạo máy cắt kim loại tấm khổ lớn", các nhà khoa học thuộc
Viện Máy và Dụng cụ công nghiệp (IMI) đã nghiên cứu, thiết kế, chế tạo chiếc
máy cắt tấm thép model CP 2580 - CNC sử dụng gas-plasma, điều khiển tự
động. Ƣu điểm của hệ thống máy cắt này là ngƣời vận hành có thể lập trình trực
tiếp hoặc gián tiếp hình dạng của chi tiết trên máy.
Hình 1.10 – Máy cắt 3 trục của Viên máy và dụng cụ công nghiệp.
Nguyễn Đình Ảnh
18
Đại học bách khoa Hà Nội
Luận văn thạc sĩ
Hình 1.11 – Máy cắt của công ty AN HÒA.
Tuy nhiên, nhƣợc điểm của các máy này là kích thƣớc lớn, khó vận
chuyển, bộ điều khiển đƣợc mua từ nƣớc ngoài. Chính điều này làm cho giá
thành máy đắt và sử dụng phức tạp hơn.
Trong sự nghiệp công nghiệp hoá và hiện đại hoá của nƣớc nhà và
đồng thời để theo kịp đà tiến của các nƣớc phát triển đặc biệt là các nƣớc
láng giềng nhƣ Trung Quốc thì nhu cầu hiện đại hoá và sử dụng các máy
móc tự động là cực kỳ bức thiết. Tất cả các công nghệ tiên tiến ở nƣớc ta
hiện có hầu nhƣ nhập từ các nƣớc trên thế giới mà bản thân nƣớc nhà chƣa
thể thực hiện đƣợc.
Trong các nhà máy xí nghiệp đặc biệt đối với xí nghiệp đóng tàu hoặc
các xí nghiệp chế tạo, sản xuất các kết cấu, chi tiết bằng thép tấm thì hiện
nay công nhân vẫn phải trực tiếp thực hiện các công việc chuẩn bị phôi liệu,
cắt phôi từ tấm thép lớn. Những công việc này hiện nay hầu hết đƣợc thực
hiện một cách thủ công bằng cách vẽ trực tiếp hình vẽ cần cắt trên tấm thép
rồi dùng thiết bị cắt tự hành để điều chỉnh đầu cắt đi theo biên dạng cần cắt.
Với công việc nhƣ vậy nó đòi hỏi tay nghề của ngƣời công nhân phải đạt đến
một trình độ nhất định. Đặc biệt với các hình cắt có biên dạng giống nhau,
lặp đi lặp lại sẽ gây nhàm chán cho ngƣời lao động làm cho năng suất và
chất lƣợng công việc giảm đi một cách đáng kể, nếu thay thế công việc này
Nguyễn Đình Ảnh
19
Đại học bách khoa Hà Nội
Luận văn thạc sĩ
bằng loại máy tự động cắt theo biên dạng thì không những tăng năng suất,
chất lƣợng và nhịp độ sản xuất không đổi mà còn có thể tăng đƣợc một
khoảng thời gian lớn nếu thiết bị làm việc một cách liên tục. Tuy việc trang
bị máy móc tự động hóa sẽ tốn kém khoản đầu tƣ ban đầu nhƣng nếu so sánh
trong những năm tiếp theo thì lợi nhuận thiết bị tự động hóa sẽ cao hơn rất
nhiều so với mức thuê mƣớn nhân công có tay nghề cao. Nếu xét trong một
khía cạnh khác của mức độ ổn định sản xuất thì sử dụng máy tự động trong
các công đoạn chuẩn bị phôi liệu cũng sẽ giảm đi thời gian và nhân sự khi
đào tạo đầu vào của nhân công.
Trong giai đoạn đất nƣớc đang chuẩn bị tham gia tổ chức thƣơng mại
quốc tế “WTO”, giá thành hàng hoá có xu hƣớng giảm đi rất nhiều, nếu các
thiết bị sản xuất hiện nay của các xí nghiệp trong nƣớc không đƣợc thay đổi
và trang bị thêm các thiết bị tự động thì chắc chắn hàng hoá trong nƣớc sẽ
không thể cạnh tranh đƣợc với hàng hoá từ các nƣớc khác đƣa vào. Khi đó,
nền kinh tế của nƣớc ta có thể bị phụ thuộc nhiều vào các nƣớc khác, điều
này sẽ ảnh hƣởng không tốt đến vấn đề an ninh độc lập chủ quyền của nƣớc
ta mà bao đời nay đã giữ vững đƣợc.
Từ những yếu tố trên chúng ta có thể khẳng định rằng, việc đầu tƣ
nghiên cứu và phát triển các máy móc tự động nói chung và các robot tự
động trong lĩnh vực chế tạo phôi nói riêng phải là vấn đề đƣợc quan tâm
hàng đầu, việc đầu tƣ cho lĩnh vực này chính là một trong những phƣơng
pháp nhanh nhất để nƣớc ta hoàn thành sớm sự nghiệp công nghiệp hóa –
hiện đại hóa đất nƣớc.
1.3.3. Khó khăn khi chế tạo ở Việt Nam
Trong giai đoạn của nƣớc ta hiện nay đối với toàn bộ quá trình thiết kế và
sản xuất máy cắt 3 trục là còn rất thấp, chủ yếu vẫn còn dừng ở phần thiết kế
tính toán và mô phỏng trên máy tính, còn hạn chế nhiều ở khâu chế tạo hoàn
chỉnh một máy cụ thể, sở dĩ nhƣ vậy là do tình hình phát triển các máy tự
Nguyễn Đình Ảnh
20
Đại học bách khoa Hà Nội
Luận văn thạc sĩ
động của đất nƣớc ta còn gặp nhiều các khó khăn mà điển hình nhất là các
khó khăn sau đây:
Sản phẩm máy CNC và robot là sản phẩm của ngành cơ điện tử, tức là phải
có sự phối hợp hài hoà cả về ngành công nghệ thông tin, công nghệ truyền
tải dữ liệu từ máy tính, cả về lĩnh vực điện tử, công nghệ vi xử lý đồng thời
cả một lý thuyết tính toán rộng lớn của cơ học và sức bền vật liệu. Chính vì
vậy với các ngành đào tạo hiện có ở các trƣờng thì một học viên không thể
lĩnh hội đƣợc một mảng tri thức khổng lồ nhƣ thế với thời gian đào tạo
không quá 5 năm. Đứng trƣớc vấn đề này thì hiện nay các trƣờng cũng đã bổ
sung thêm một ngành mới với tên là ngành cơ điện tử hoặc ngành điều khiển
tự động, nhƣng nhƣ thế vẫn chƣa đáp ứng đƣợc yêu cầu đặt ra, mặt khác nếu
làm việc theo tập thể dựa trên sự phối hợp của 3 mảng kiến thức thì chúng
ta lại gặp phải những khó khăn về cách thức tổ chức làm việc.
Kinh phí để cho ra một sản phẩm robot cắt plasma hoàn hảo là rất lớn, đặc
biệt là trong thời gian thử nghiệm, trong khi đó nhà nƣớc vẫn chƣa có một
chính sách về vốn đầu tƣ thoả đáng cho lĩnh vực này.
Công nghệ chế tạo các chi tiết của nƣớc ta còn quá lạc hậu, cụ thể là với các
công nghệ này chúng ta không thể chế tạo đƣợc các chi tiết trang bị ứng
dựng trong robot điển hình với các chi tiết đòi hỏi phải có trọng lƣợng nhẹ
có độ cứng vững cao, chịu mài mòn và phải làm việc tốt trong môi trƣờng có
điều kiện khắc nghiệt mà vẫn phải giữ đƣợc độ chính xác về hình dạng... hơn
nữa các thiết bị về cảm biến ngoại vi cho đến nay hầu nhƣ chúng ta vẫn phải
nhập từ nƣớc ngoài nên giá thành còn rất cao. Ví dụ nhƣ bộ mã hóa vòng
quay (encoder), dùng để nhận biết góc quay, tốc độ và vị trí của các trục trên
máy đều phải nhập khẩu với giá rất đắt, thời gian chờ rất lâu.
Nhu cầu sử dụng máy cắt tự động trong các xí nghiệp nói chung là còn rất
thấp, bởi vì để lập trình điều khiển đƣợc các hệ thống này đòi hỏi phải có
một nền tảng kiến thức tƣơng đối.
Nguyễn Đình Ảnh
21
Đại học bách khoa Hà Nội
Luận văn thạc sĩ
Các lý thuyết tính toán về các kết cấu cơ khí kiểu mới với các tài liệu tiếng
Việt còn hạn chế vì vậy việc tính toán về sức bền độ ổn định còn rất nhiều
khó khăn, chƣa mang tính phổ biến.
Với một vài lý do trên, nên hiện nay sự phát triển về lĩnh vực robot cắt tự
động hóa của nƣớc ta vẫn còn bị hạn chế và cản trở nhiều, trong các cuộc
triển lãm về công nghệ tự động mới của thế giới hầu nhƣ vẫn chƣa thấy sự
có mặt của nƣớc nhà, đó là một thiệt thòi to lớn trong sự nghiệp phát triển
của đất nƣớc.
Nguyễn Đình Ảnh
22
Đại học bách khoa Hà Nội
Luận văn thạc sĩ
CHƢƠNG 2: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ MÁY CNC
2.1. Kỹ thuật điều khiển số
2.1.1. Khái niệm về điều khiển số
Điều khiển số (Numerical control) là một quá trình tự động điều khiển các
hoạt động của máy dựa trên cơ sở các dữ liệu đƣợc mã hóa đặc biệt tạo nên một
chƣơng trình làm việc của thiết bị hay hệ thống.
2.1.2. Khái niệm về hệ thống điều khiển số
Là hệ thống mà trong đó các hoạt động đƣợc điều khiển là dữ liệu số đƣa
vào trực tiếp ở một điểm nào đó. Hệ thống đó phải tự động dịch chuyển tối
thiểu một phần nào đó của dữ liệu này.
Dữ liệu là thông tin cung cấp bởi mã nhị phân. Nó đƣợc biểu diễn dƣới dạng
mã số hoặc ký tự. Đây là thông tin cần thiết để tạo ra một chƣơng trình gọi là
chƣơng trình gia công.
Có hai loại hệ thống điều khiển: Hệ thống điều khiển kín và hệ thống điều
khiển hở.
Hệ thống điều khiển hở
Hình 2.1 - Hệ thống điều khiển số vòng hở
Đặc điểm của hệ thống điều khiển số vòng hở nhƣ sau:
Nguyễn Đình Ảnh
23
Đại học bách khoa Hà Nội
Luận văn thạc sĩ
- Các hệ thống điều khiển đƣợc vận hành theo nhịp thời gian của một đồng hồ và
độc lập so với biến ra.
- Không có cảm biến và bộ so sánh. Do đó muốn đảm bảo chính xác cho biến ra
của cơ cấu chấp hành thì cần phải có yêu cầu cao về độ chính xác của cơ cấu truyền
động.
- Cấu trúc đơn giản và giá thành thấp.
Hệ thống điều khiển số vòng kín
Hình 2.2 - Hệ thống điều khiển số vòng kín
Đặc điểm của hệ thống điều khiển số vòng kín nhƣ sau:
- Độ chính xác của biến ra ít phụ thuộc vào hệ truyền động mà phụ thuộc vào
cảm biến.
- Làm việc chính xác và độ tin cậy cao.
- Do vậy, hầu hết các hệ thống điều khiển số hiện nay là hệ thống kín. Các hoạt
động điều khiển đƣợc vận hành qua các sai lệch giữa biến vào và ra.
Nguyễn Đình Ảnh
24
Đại học bách khoa Hà Nội
Luận văn thạc sĩ
2.1.3. Cấu trúc của hệ thống điều khiển số
Hình 2.3 - Cấu trúc của một hệ thống điều khiển số
Cấu trúc của một hệ thống điều khiển số gồm 6 phần chính nhƣ sau:
Chƣơng trình gia công: bao gồm các chỉ thị đã đƣợc mã hóa.
Hệ điều khiển máy: đƣợc chia làm 2 thành phần:
o Đơn vị xử lý dữ liệu: thực hiện chức năng đọc mã lệnh từ thiết bị
nhập dữ liệu, xử lý mã lệnh, truyền dữ liệu cho CLU.
o Mạch điều khiển: thực hiện các chức năng nội suy chuyển động
trên cơ sở các tín hiệu nhận đƣợc từ DPU, xuất các tín hiệu điều
khiển,nhận các tín hiệu phản hồi, điều khiển các thiết bị phụ trợ.
Thiết bị đọc chƣơng trình.
Hệ truyền động: dùng động cơ một chiều hoặc xoay chiều, các bộ truyền
cơ khí.
Máy công cụ.
Hệ thống phản hồi: gồm 2 thành phần:
Nguyễn Đình Ảnh
25
